某微型涡喷发动机数控系统研制

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旁路回油节流调节 这也是一种外部节流
调节 !它用一条与泵并联的 & 阻力可调的回油管路回 油 ! 取代 # 条中泵的间隙回油 % 这种节流调节增加了 一条管路和调节元件 ! 使供油装置重量和体积均加 大 ! 结构复杂 !不适用于本系统 % 由于要求控制系统应能做到尽可能的小型化 ! 且保证供油稳定可靠 ! 故本数控系统采用了 ! 条的 供油量调节方案 !即改变转速来保证供油量 %
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皮 星等 # 某微型涡喷发动机数控系统研制
第,期
一个不断迭代调节的动态过程 ! 直到给定转速 ! 与 发 动 机 实 际 转 速 " 的 偏 差 信 号 #$" 在 允 许 的 范 围 内 ! 调节过程即告结束 " 等转速控制规律为 #调节供油量 %&!使 "!"#$%& "
,(3 与发动机匹配试验
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转速控制单元
环 境 温 度 为 6+, #)0$ ! 重 量 为 %+0% ! 可 以 满 足 台 架 工作要求 % 该伺服放大器感受电动机转速反馈 !进行 高精度的转速控制 !使用方便 % 同时 !可以进行转速 控制回路增益的调整 & 最大电流保护值的调整 &电机 最大转速保护值的调整和控制电流值的调整等 ! 可 以提高转速控制回路的动态性能 ! 克服低转速下电 机的振颤 ! 提供重要参数保护等 %
"&
!" 改变转速 这只适用于非发动机传动的泵 !
靠改变原动机 # 电机 $的转速来改变供油量 %
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外部直接节流调节 这种节流调节是在油
泵出口管路中设置节流开关 !改变出口阻力 ! 利用泵 的间隙回油 ! 即改变泵的出口压力 !使泵的供油量发 生变化 % 这种节流调节损失大 !结构复杂 ! 不适用于 本系统 %
时间 &F%
图4
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试验转速响应曲线
,
,(-
发动机转速 FGHI
试验结果
系统调试 对该系统进行了多次试验室调试 ! 试验结果如
E(C E(5 E(, E(3 E E 3E ,E 5E CE -EE
图 , 所示 "
-(D
燃油流量 FGHI
E(C E(5 E(, E(3 E E 3E ,E
理论值 实测值
-(E
燃油流量 FGHI
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控制软件 控制软件主要分为三大部分 # 监控程序 $ 主控程
序和子程序 "
)( 监控程序
监控程序定义了各个键的功能 !
设置键盘显示的工作方式 ! 监视整个装置运行 !保证 系统有条不紊的工作 " 通过键盘 ! 可以很方便地设 置 $ 修改参数 !进行某些模拟试验 "
E(C E(5 E(, E(3 E E 3E ,E 5E CE -EE
@3AB% CDE!F34EGG HIJE6HJ8K $84D18J G$LE.!D3$ F3!A1!.
由图 % 可知 !等供油量控制为开环控制 ! 即供油 目前 ! 该控制 单 元 的 工 作 量 $%’%<!=’&+!% 式中 !&+ 为常数 !! 为油门杆角度 % 等转速控制是一个典型的闭环控制过程 %由图 & 可知 ! 一定的油门杆角度给出基本供油量 $%! 同时 ! 此时的油门杆角度也确定了给定转速 ! % 此给定转 速 ! 与发动机实际转速 ’ 比较后得到偏差信号 MN4! 偏差信号经 :>? 等处理后得到 :(; 输出的高电平 持续时间增量 "()% "!) 经驱动器 & 电机 & 油泵转换为 供油量的增量 "$%! 最后的供油量即为 $%O"$%! 此
!
引言
根据发动机对数控系统的技术要求 " 确定了数
油装置的体积 & 重量有着特别苛刻的要求 " 即体积 小 " 重量轻 % 为此 " 我们选择了供油量调节性能较好 的定量旋板泵 % 它的比重量优于柱塞泵和齿轮泵 "抗 脏性优于柱塞泵 " 而供油量调节性能又比齿轮泵好 " 故近年来受到普遍重视 % 目前 " 在某些先进的高性能 发动机上 "已选用旋板泵做主燃油供应泵 %
该数控系统经过地面调试后 ! 成功地与发动机 进行了多次匹配试验 ! 其中包括冷运转 $ 假起动 $ 起 动和稳态试车 " 试验表明 # 发动机工作正常 ! 控制系 统工作稳定 ! 性能良好 ! 能按等供油量规律控制供油 量 ! 能按要求控制点火器 $燃油电磁阀 $ 空气开关等 " 试车中还得到了发动机试车转速响应曲线及其燃油 流量曲线 % 见图 4 和图 5&! 由图看出 ! 燃油流量与发 动机转速均较 稳 定 ! 达 到 了 设 计 技 术 指 标 的 要 求 "
%"&
泵功率 ! 扭矩计算 已知最大状态时泵前后压力和流量 !计算得 " 泵
功率 !"’%&"&(’最大供油量时泵扭矩 #’)*!+, ( .’ 最小状态时泵功率 !"’,"/&/(’ 最小供油量时泵扭 矩 #’+* !+, ( .%
"&
&"%
控制规律 我们采用的控制规律为等转速控制规律 % 实现
等转速控制规律的关键在于首先实现等供油量控制 规律 < 见图 %= ! 即油门杆角度与供油量的单值对应关 系 ’ 而等转速控制规律可在等供油量控制实现的基 础 上 ! 利 用 转 速 偏 差 和 :>? 控 制 算 法 ! 来 实 现 发 动 机转速闭环控制功能和性能 % 由于本系统对转速调节
图% 等供油量控制原理图
6&
本系统所选电机功率为 +%,(! 在 0 ,,,12.34 时 ( 可提供的扭矩约为 50 !+, . ! 可以长时间工作 ! 故可以满足设计要求 %
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直流伺服电动机及转速控制单元
!"
直流伺服电动机
有较高要求 ! 而直流电动机具有良好的调速特性 !因 此 ! 选用了 .!784 公司的直流伺服电动机 % 该电机 功率为 +%,(! 工作环境温度范围为 6%,#+%0$ ! 可 以满足工作要求 %
./0(, %& )% ) 12$+&/#$ #1 !
由图 , 可以看出 ! 油门杆角度 ! 与发动机燃油 流量 %& 为一次函数关系 ! 且其理论值与实测值的 符合性较好 ! 可以满足系统要求 " 该项试验的成功 ! 为实现控制规律提供了可靠的依据 ! 即只要给定了 油门杆角度 ! 就控制了由电子控制器输出的电机驱 动器的控制电压 (!也就控制了电机转速 ! 从而就控 制了发动机的燃油流量 %&"
第 +* 卷
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
Q
调节 !一般采用如下方法 "
控制器感受操作盒的两个开关信号 & 一个模拟 油门杆信号和一个发动机的转速频率信号 % 油门杆 信号是模拟信号 !经滤波 &电压跟随进入单片机的模 拟口 ’ 目前控制器采集的转速信号是从转速仪表后 输出的信号 ! 是一种频率信号 ! 经光电隔离 &整形 &放 大后进入单片机的高速输入口 % 控制器输出一个模拟信号和三个开关信号 % 模 拟信号输出给电机驱动器 ! 驱动器控制电机 6 泵的 转速 ! 从而控制发动机的供油量 % 驱动器要求的控制 信号是 , #+,9 的模拟信号 ! 其实现过程 是 " 单 片 机 通过高速输出口发出脉宽调制信号 :(; !:(; 信 号经过光电隔离 ! 滤波整形 ! 放大变 成 , #+,9 的 模 拟信号 % 三个开关信号是单片机发出的高低电平信 号经固态继电器变成 %)9 的开关信号 ! 分别控制点 火器 & 起动空气系统和 % 位 & 通燃油电磁阀 % 控制器 带有键盘显示器 ! 用来动态显示重要参数和状态参 数 ! 也可以修改 &查询数据 ! 进行一些模拟试验 % 控制 器还具有数据记录和数据传输功能 %
控系统总体方案 " 系统原理图如图 & 所示 % 由图 & 可知 " 该系统设计的关键之一就是供油装置 !_‘a) 和控制器 !6Ra )%
"#!
旋板泵 根据参考文献 *& +" 对旋板泵的相关参数进行了
计算 % 根据旋板泵的几何参数 "计算后得 $ 工作容积
!d@’&BB +#&@]+e’ 泵的实际供油量 "# $$@’"@H"D#%$# &@]+ef934" 其中 %$ 为泵的转速 % 当 供 油 量 &’ $ d&BDeg> 时 " 泵 的 实 际 转 速 约 为 A hA@1g934% 当供油量 &’ $dH@eg> 时 " 泵的实际转速 约为 DD+1g934 % "#" 旋板泵调节
*( 主控程序
主控程序 是 控 制 软 件 的 主 要 部
分 !其 功 能 包 括 #采 样 $计 算 $判 断 $输 出 $控 制 $通 讯 $ 记录 $ 显示和其他功能等 "
+( 子程序和数据文件
子程序主要是一些需
要多次应用的程序段 ! 如滤波子程序 $数据转换子程 序 $ 插值计算子程序 $ 液晶显示器状态查询子程序 $ 显示子程序等 " 数据文件则是一些数据表 !如燃油流 量 %& 与高电平持续时间 ’$ 的关系表 $供油关系表等 "
第 !" 卷 ! 第 # 期
燃气涡轮试验与研究
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某微型涡喷发动机数控系统研制
皮 星 !邓文革
!中国航空动力机械研究所 "湖南 株洲 A&)@@) #
摘
要 $ 介绍了某微型发动机数控系统的研制技术 " 以及在供油装置设计中所体现的微发数控系统的特点 % 对该数控
时间 &F%
百度文库
./0(4
图5
67%& %8779 :7%8#$9 +2:;7
试验燃油流量曲线
./0(5 67%& 127< 1<#= +2:;7
5E 油门杆角度 !FGHI
CE
-EE
4
结束语
通过试验验证表明 !本数控系统所采用的设计技
图,
油门特性
术基本上可以满足发动机对数控系统的技术要求 " 经 过多次试车表明 !该数控系统性能良好 !工作可靠 ! 有 较好的工程应用前景 "
系统的总体设计 & 供油装置设计 & 控制器设计技术进行了分析 " 并给出了该系统与发动机的匹配试验结果 % 该研究结果 对设计数控系统具有较好的借鉴和参考作用 % 关键词 $ 微型发动机 ’ 数控系统 ’ 供油装置 ’ 控制器 中图分类号 $$)++’BCD 文献标识码 $E 文章编号 $&"B)F)")@GH@@+I*#F***"F*J
我们选用了定量旋板泵 " 定量旋板泵供油量的
图&
数控系统原理图
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\EO6R .=>59-:3= ;3-N1-9
"
供油装置
在微型发动机数控系统设计中 " 对数控系统供
收稿日期 $H@@+%@+%HD ’ 修回日期 $H@@+%@D%H" 作者简介 $ 皮 星 ,!i"+% )" 男 " 湖北嘉鱼人 " 研究员 " 工程硕士 " 一直从事航空发动机控制技术工作 %
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控制器及控制规律
控制器 控制器选用单片机作为处理器 ! 主要完成采样 &
$% O"$%供油量又对应一个发动机实际转速 ’% 这是
计算 &判断 &输出 &控制 &显示和通讯等多种功能 %
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图&
等转速控制原理图
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